Хроматографическая колонна пронина

 

1. Хроматографическая колонна, содержащая цштиндрический корпус, верхнюю трубку для подвода и нижнюю трубку для отвода жидкой фазы, каждая из которых присоединена соосно с колонной к вершинам конических, герметично соединенных со стенками корпуса камер, основания которых вы-. полнены в виде пористых перегородок, меладу которыми помещен слой зерненого сорбента, а трубка, камера и пористая перегородка каждой конической камеры жестко связаны друг с другом , отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы колонны путем устранения влияния усадки слоя сорбента, она снабжена дополнительной емкостью с сорбентом , верхняя и нижняя коническиекамеры выполнены так, что они являются продолжением цилиндрического корпуса колонны, по15истые перегородки неподвижно установлены к в перегородке верхней конической камеры выполнено сквозное отверстие, в которое вмонтирована дополнительная трубка для подвода зерненого сорбента, установленная нижним торцом на уровне нижней плоскости пористой, перегородки , выведенная герметично через верхнюю часть камеры и соединенная с нижней частью дополнительной емкости с сорбентом, причем в верхней части дополнительной емкости с сорбентом подсоединена линия подачи элюента с запорным клапаном с возможностью принудительной транспортировки зерен сорбента потоком элюента из дополнительной емкости в верхнюю часть колонны. СО I 2 о Колонна по п. 1, отличаю щ а лея тем, что отношение внутреннего диаметра дополнительной трубки для подвода зерненого сорбента к диаметру зерен сорбента составляет

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (д) 4 С 01 И 30/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3908723/23-25 (22) 10. 06.85 (46) 23,08.88. Бюл. У 31 (71) Институт физической химии

АН СССР (72) А.Я. Пр они н (53) 543,544(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 104410, кл. G 01 N 31/08.

Amicon Catalog Chromalography, Niderland, 1984, р. 65-68 (54) ХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ КОЛОННА

ПРОНИНА (57) 1. Хроматографическая колонна, содержащая цилиндрический корпус, верхнюю трубку дпя подвода и нижнюю трубку для отвода жидкой фазы, каждая из которых присоединена соосно с колонной к вершинам конических, герметично соединенных со стенками корпуса камер, основания которых выполнены в виде пористых перегородок, между которыми помещен слой зерненого сорбента, а трубка, камера и пористая перегородка каждой конической камеры жестко связаны друг с другом, отличающаяся тем, что, с целью повьппения эффективности работы колонны путем устранения влияния усадки слоя сорбента, она снабжена дополнительной емкостью с сорбентом, верхняя и нижняя коническиекамеры выполнены так, что они явля„„Я0„„1418609 А 1 ются продолжением цилиндрического корпуса колонны, пористые перегородки неподвижно установлены и в перегородке верхней конической камеры выполнено сквозное отверстие, в которое вмонтирована дополнительная трубка для подвода зерненого сорбента, установленная нижним торцом на уровне нижней плоскости пористой.перегородки, выведенная герметично через верхнюю часть камеры и соединенная с нижней частью дополнительной емкости с сорбентом, причем в верхней части дополнительной емкости с сорбентом подсоединена линия подачи элюента с запорным клапаном с возможностью принудительной транспортировки зерен сорбента потоком элюента из дополнительной емкости в верхнюю часть колонны

2. Колонна по и. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что отношение внутреннего диаметра дополнительной трубки для подвода зерненого сорбента к диаметру зерен сорбента составляет (10-15): 1.

3. Колонна по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, в верхней пористой перегородке выполнено не менее двух сквозных отверстий с вмонтированными в них дополнительными трубками для подвода зерненого сорбента, соединенными с дополнительной емкостью.

1418609

Изобретение относится к технике разделения веществ хроматографическим способом и может быть использовано, например, в химической, микробиологической, пищевой, металлургической промьшшенности при разделениях или очистке растворов органических и неорганических соединений.

Цель изобретения — повышение эф- 10 фективности работы хроматографической KoJIQHHbI большого диаметра (промьппленного назначения) путем устранения нежелательного влияния усадки слоя сорбента. 15

Па фиг, 1 изображена предлагаемая хроматографическая колонна, общий вид; на фиг. 2 — то же„с числом трубок для подвода зерненного сорбента не менее двух. 20

Па фиг, 1 и 2 обозначены: цилиндрический корпус колонны 1, зерненый сорбент 2, заполняющий колонну, трубка 3 подвода разделяемой смеси и элюента к вершине конической каме- 25 ры, двухходовой кран 4, линия 5 подачи разделяемой смеси, линия б подачи элюента, верхняя коническая камера 7,пористая перегородка 8 верхней конической камеры, запорный клапан 9 30 на линии элюента, дополнительная емкость 10, запас зерненого сорбента

11 в дополнительной емкости, дополнительная трубка 12 для подвода зерненого сорбента,, пористая перегородка 13 нижней конической камеры, нижняя коническая камера 14, нижняя трубка 15 для отвода жидкой фазы, выходной клапан 16Ä

Днухходовой кран 4 служит для последовательной подачи разделяемой

"смеси и элюента по трубке 3 в верхнюю часть верхней конической камеры 7 и,далее через пористую перегородку

8 — н слой зерненого сорбента 2, за-<5 полняющего цилиндрический корпус колонны 1. Клапан 9 лри перекрытом двухходовом кране 4 обеспечивает поток элюента через слой запаса зерненого сорбента 11 дополнительной емкости 10 и через дополнительную трубку- 12 в

1 слой зерненого сорбента 2 колонны 1.

Дополнительная емкость 10 при работе колонны должна постоянно содержать запас зерненого сорбента 11 и быть заполнена элюентом. Открытая снизу и сверху трубка 12 имеет герметичные .соединения с дополнительной емкостью

10, с верхней частью конической камеры 7 и с пористой перегородкой 8.

Размер пор пористых перегородок 8 и 13 пе должен быть меньше размера зерен сорбента 2.

Хроматографическая колонна работает следующим образом. (При закрытом клапане 9 сначала порция разделяемой смеси по линии 5 подачи разделяс мой смеси через двухходовой кран 4, а затем элюент по линии б подачи элюента через двухходовой кран 4 последовательно проходят трубку 3 подвода разделяемой смеси и элюента к вершине конической камеры, верхнюю коническую камеру 7, пористую перегородку верхней конической камеры 8, слой зерненого сорбента 2, заполняющего корпус колонны 1, пористую перегородку 13 нижней конической камеры 14 и через нижнюю трубку 15 для отвода жидкой фазы и клапан

1б элюент выходит из колонны. При возникновении усадки слоя сорбента 2 н процессе работы появится разрыв между верхним слоем осевшего сорбента 2 и нижней плоскостью пористой перегородки 8. Одн:.нременно с усадкой слоя сорбента 2 из дополнительной емкости 10 по дополнительной трубке

1 2 будет непрерывно выходить зериеный сорбент 11, который, однако, останется в виде холмика в форме усеченного конуса точно под трубкой 12, не распространяясь в радиальном направлении к стенкам цилиндрического корпуса колонны 1. Поэтому сохранится образовавшийся разрыв или зазор между верхним слоем осевшего сорбента 2 и нижней плрскостью пористой перегородки 8, который вызывает нарушение равномерности распределения потока жид-, кости по всему сечению колонны, вследствие чего ухудшается эффективность работы хроматографической колонны.

Чтобы ликвидировать указанный зазор, в конце хроматографического разделения или перед началом следующего цикла разделения необходимо пропустить поток элюента с большой скоростью через дополнительную емкость

10 и дополнительную трубку 12 для подвода зерненого сорбента лри закрытом двухходовом кране 4 и открытом клапане 9. Как установлено экспериментально, требуемая скорость потока через трубку 12 должна составлять величину в пределах 180-200 мл/см .

1418609

При этом, если диаметр трубки 12 равен 5 мм, диаметр корпуса колонны

75 мм, т.е. сечение рабочей части колонны 1 в 200 раз больше сечения

5 дополнительной трубки 12, а рабочая скорость фильтрации элюента через слой сорбента 2 составляет 1 мл/см мин, т.е. в 200 раз меньше требуемой скорости, то простым закрыванием двухходового крана 4 и открыванием клапана 9 весь поток элюента направляют через емкость 10 в дополнительную трубку 12 и этим обеспечивают требуемую скорость потока в трубке 12, равную 200 мл/см мин, при объемной скорости 39 мл/мин. Аналогичным образом определяют необходимую объемную скорость подачи элюента в емкость 10 в случае любых других соотношений диаметров трубки 12 и колонны 1. При скорости потока элюента через дополнительную трубку 12, равной 180200 мл/см .мин, зерненый сорбент из дополнительной емкости 10 принуди- 25 тельно переносится потоком жидкости по трубке 12 и быстро (в течение

2-3 мин) заполняет горизонтальный зазор над верхним слоем сорбента 2 вдоль радиуса от отверстия дополнительной трубки 12 до стенок корпуса колонны 1. Поскольку усадка сорбента происходит постепенно в процессе работы, операцию принудительного заполнения образующегося зазора можно проводить после каждого цикла хроматографического разделения. Оказалось, что эта операция принудительного заполнения зазора после усадки сорбента не только восстанавливает эффек- 40 тивность работы колонны, но даже повышает ее.

Предлагаемая хр оматографическая колонна изготовления в нескольких вариантах с различным соотношением . размеров конструктивных элементов и опробована в работе, В лабораторных условиях испытана хроматографическая колонна, имеющая диаметр цилиндрического корпуса 50 мм с высотой слоя зерненого сорбента

300 мм, диаметр дополнительной трубки подвода зерненого сорбента равен

4,5 мм, запас зерненого сорбента в дополнительной емкости составлял

50 смз . В качестве пористых перегородок верхней и нижней конических камер использована сетка из нержавеющей стали с размером ячейки 0,1 мм. Колонна, дополнительная емкость и дополнительная трубка для подвода зерненого сорбента были заполнены сферическими зернами сульфокатионита

КУ-2хЯ в кальциевой форме с размером зерен 0,3 мм, при этом сульфокатионит вводился в систему в виде суспензии в воде. Эффективность работы колонны выражена в величине высоты эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ), которая вычислялась путем деления высоты слоя зерненого сорбента в рабочей части колонны на число реализуемых теоретических тарелок (N) . Для определения величины И в колонну вводили пробу водного раствора ксилита с концентрацией 20 г/л и элюировали ксилит водой. Объем пробы раствора ксилита 7,5 мл составлял 1,277 от объема слоя смолы в колонне. На выходе из колонны пик ксилита регистрировался с помощью проточного рефрактометра

РИ-03 на ленте самописца. По пику ксилита рассчитывали величину N с использованием общепринятого соотноше16(—,2 2, где V — объем удерживания пика, мл; 7 — ширина основания пика, мл.

Во всех экспериментах выдерживали постоянную скорость потока жидкой фазы 0,15 мл/см . мин через рабочую часть колонны и температуру 20 С.

В экспериментах соблюдали следующий порядок подачи жидкой фазы в колонну: подача пробы раствора ксилита по линии 5 подачи разделяемой смеси через двухходовой кран 4 при закрытом клапане 9; подача элюента (воды) по линии 6 подачи элюента через двухходовой кран 4 при закрытом клапане .9 после вымывания пика ксилита; подача элюента (воды) со скоростью 30 мл/мин по линии 6 подачи элюента через клапан 9, дополнительную емкость 10 и дополнительную трубку 12 для годвода зерненого сорбента при закрьггом двухходовом кране 4.

Специальными экспериментами установлено, что зерненый сорбент легко заполняет весь объем колонны от дополнительной трубки 12 до стенок колонны при подаче элюента через дополнительную емкость со скоростью 30 мл/мин, что соо-.âåòñòâóåò скорости прохожде1418609 ния воды через трубку для и однода з ерненого сорбента, равной 190 мп/см мин.

Такие скорости использовали при испытании колонны.

Дпя сравнения эффективности работы предлагаемой хроматографической ко,лонны с известной выполнены эксперименты на стандартной стеклянной ко.!лонке с адаптерами фирмы Ватман:

1(2 .диаметр колонки 10 мм, высота слоя зерненого сорбента 30 см. Продолжительность каждого цикла эксперимента составляла 4 ч.

В табл. 1 дана зависимость эффек- 1!; тивности работы предлагаемой и стан- дартной хроматографических колонн с адаптерами от числа проведенных . циклов и от времени, Как видно из табл. 1, относительная эффективность предлагаемой колонны в первых двух циклах (1007) ниже относительной эффективности стандартной колонки с адаптерами фирмы Ватман (103K) . Однако к четвертому циклу 25 эффективности колонн становятся одинаковыми и по мере проведения дальнейших циклов эффективность предлагаемой хроматографической колонны продолжает расти, достигая постоянной g(2 ,величины 106Х на восьмом цикле, в то время как относительная эффективность стандартной хроматографической колонки после третьего цикла даже снижается до величины 102_#_. Таким образом, неожиданно обнаружен эффект превышения относительной эффективности предлагаемой хроматографической колонны (на 4X) по сравнению с эффективностью стандартной хроматографической колонки с адаптерами фирмы Ватман.

Величина внутреннего диаметра дополнительной трубки для подвода зерненого сорбента имеет существенное значение. Как показала экспериментальная проверка, при диаметре дополнительной трубки 2,4 мм, равном восьми диаметрам зерен сорбента, последний иногда застревал в трубке и не опускался вниз в рабочую часть колонны..При диаметре дополнительной трубки 3 мм, равном десяти диаметрам зерен сорбента, последние беспрепятственно опускались по трубке вниз в рабочую часть колонны, При диаметре дополнительной трубки 4,5 мм, т.е. равном пятнадцати диаметрам зерен сорбента, последние также беспрепятственно опускались вниз н рабочую часть колонны. Такой же результат будет получаться и при дальнейшем увеличении внутреннего диаметра дополнительной трубки, но такое увеличение не вызвано никакой практической необходимостью. Все это позволило сформулировать требование о том, что отношение внутреннего диаметра дополнительной трубки для подвода зерненого сорбента к диаметру зерен сорбента должно состанлять (10-15):1.Экспериментаии доказано, что рас-, стояние вдоль радиуса колонны от трубки для подвода зерненого сорбента до стенок цилиндрической части колонны не может быть сколь, угодно большим, а имеет предел, равный тому расстоянию, на которое принудительно переносятся зерна сорбента с потоком жидкой фазы, находящей из трубки для подвода зерненого сорбента, Поэтому на колоннах большего диаметра целесообразно устанавливать не одну трубку для подвода зерненого сорбента, а а несколько, как это изображено на фиг.2.

Для определения оптимального расстояния между центрами отверстий двух соседних дополнительных трубок выполнены экспериментальные циклы элюирования ксилита при расстояниях между трубками, ра,нных 1, 21, 31, 41.

Использовали колонну с диаметром цилиндрического корпуса 290 мм, имеющего наряду с осевой трубкой еще 18 (т.е. всего 19 штук) дополнительных трубок для подвода зерненого сорбента, центры которых находились на концентрических окружностях с радиусом

58 и 11 мм. Вдоль диаметра колонны при этом было расположено пять дополнительных трубок с внутренним диаметром 4,5 мм, как это показано на фиг.2.

На каждой из указанных девятнадцати дополнительных трубок установлены запорные клапаны с диаметром проходного отверстия 3 мм, с помощью которых .создавали ра злич ные рабочие расстояния между дополнительными трубками путем перекрывания соответствующих клапанов. В таких же условиях получены экспериментальные данные, приведенные н табл. 2, I

В табл. 2 дана зависимость эффектинности работы предлагаемой хроматографической колонны от расстояния

1418609

Таблица1

Относительная эффективность работы хроматографических колонн, %

Число суток от начала

В3ТТ по пику ксилита, мм экспериментов

На предлагаемой хроматографической колонне

4,26

100

4,26

100

4,18

102

4,13

103

4,13

103

4,08

103

4,04

105

4,02

106

4,02,19

106

4,02

106 между трубками для подвода эерненого сорбента.

Как видно иэ табл, 2, оптимальное расстояние между центрами работающих

5 трубок для подвода зерненого сорбента составляет величину не более 232 мм или 770 диаметров сферических гранул эерненого сорбента. Наименьшее расстояние от стенки цилиндрической части колонны до центра ближайшей трубки для подвода зерненого сорбента должно составлять величину вдвое меньшую, т.е. 116 мм или 385 диаметров сферических гранул зерненого сорбента при величине диаметра зерна, равного

0,3 мм.

Наиболее универсальной величиной, характеризующей соотношение размеров зерен сорбента и расстояний между центрами отверстий трубок подвода зерненого сорбента и наименьших расстояний до цилиндрической стенки колонны,. является величина произведения числа зерен сорбента плотно уложенных вдоль этих расстояний, на диаметр зерен, выраженный в миллиметрах. По данным табл. 2 видно, что оптимальное значение указанного произведения, характерного для половины расстояния между центрами трубок подвода зерненого сорбента и для наименьшего расстояния до цилиндрической стенки колонны, не превышает значение 116.

Испытания предлагаемой хроматографической колонны показали ее надежность, высокую эффективность в работе.

Таким образом, использование предлагаемой хроматографической колонны обеспечивает возможность повышения эффективности работы хроматографической колонны при использовании колонн большого диаметра, что особенно важно при препаративном и промышленном выделении веществ из исходного сырья.

1418609

Продолжение табл.1

На стандартной стеклянной колонке с адаптерами фирмы Ватма

4,14

103

4,15 1 03

103

4,15

4,16

102

4,20

101

13

4,18

102

4,18 г

102

Таблица 2

ВЭТТ по циклу кснлита, мм

Относительная эффективность работы колонны, 70

Цикл

4,03

4,02

116

99,5

4,05

99,2

4,06

174

99,0

4,07

87,9

4,58

261

Расстояние от одной работающей трубки для подвода зерненого сорбента до другой - мм

100,0

100,2

1418609

Составитель И. Шиганов

Редактор С. Пекарь Техред Л.Олийнык Корр ек тор С. Чер ни

Заказ 4147/41 Тираж 847 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4